автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка и исследование винтовых забойных двигателей с облегченными роторами и армированными статорами

На правах рукописи

ии5008482

Голдобин Дмитрий Анатольевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВИНТОВЫХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ОБЛЕГЧЕННЫМИ РОТОРАМИ И АРМИРОВАННЫМИ СТАТОРАМИ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (нефтяная и газовая промышленность)

. 1 9 ЯНВ 2012

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь -2011 г.

005008482

Работа выполнена в ООО «ВНИИБТ - Буровой инструмент»

Научный руководитель

доктор технических наук Коротаев Юрий Арсеньевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Ивановский Владимир Николаевич

кандидат технических наук Буяновский Илья Наумович

Ведущее предприятие

ОАО «Пермский научно-исследовательский технологический институт (ПНИТИ)»

Защита состоится «/

2012 г. в

Ос?

часов на заседании

диссертационного Совета/Д 520.027.01 в ОАО НПО «Буровая техника» по адресу: 113114, г. Москва, ул. Летниковская, 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ».

Автореферат разослан Ш^РД оУ^дХ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета,

доктор технических наук / Д.Ф, Балденко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Винтовые забойные двигатели (ВЗД), созданные во Всесоюзном научно-исследовательском институте буровой техники (ВНИИБТ) и его Пермском филиале, в настоящее время широко используются в нашей стране и за рубежом для бурения и капитального ремонта скважин.

Основным узлом (рабочим органом) ВЗД является многозаходный героторный механизм, который представляет собой цилиндрическую планетарную зубчатую передачу внутреннего зацепления, включающую резинометаллический статор и металлический ротор с разницей в числах их зубьев равной единице.

Одним из перспективных направлений повышения эксплуатационных характеристик ВЗД является использование для производства статоров и роторов тонкостенных стальных винтовых оболочек. Применение таких оболочек для армирования зубьев резинометаллического статора позволяет повысить изгибную жесткость резиновых зубьев статора и эксплуатационные характеристики героторного механизма. Использование оболочек для изготовления облегченного ротора позволяет снизить массу ротора, уменьшить динамику поперечных колебаний и нагрузки на резиновые зубья статора и повысить срок службы героторного механизма.

Однако, возможные конструкции и технология изготовления облегченных роторов и армированных статоров с использованием тонкостенных стальных винтовых оболочек были недостаточно изучены, что сдерживало их внедрение в ВЗД.

Цель работы: Повышение эксплуатационных характеристик винтовых забойных двигателей за счет разработки и использования новых конструкций и технологии изготовления многозаходных героторных механизмов с облегченными роторами и армированными статорами.

Задачи исследований

1. Разработать новые конструкции и технологию изготовления героторных механизмов винтовых забойных двигателей с использованием

тонкостенных стальных оболочек с винтовыми зубьями для изготовления облегченного ротора и армированного статора. Разработать методику заливки армированных статоров резиновой смесью, обеспечивающую равномерную толщину резины по профилю зубьев статора.

2. Провести теоретические и экспериментальные исследования процесса формообразования тонкостенных стальных оболочек с винтовыми зубьями. Численным методом исследовать напряжения и деформацию винтовых оболочек при заданных физико-механических свойствах металла, установить факторы, влияющие на точность профиля зубьев оболочки, разработать методику расчета профиля зубьев формующего сердечника.

3. Установить зависимость геометрических параметров трубной заготовки оболочки для статора и ротора с геометрическими параметрами формующего сердечника и параметрами зацепления многозаходного винтового героторного механизма. Разработать методику расчета толщины стенки трубной заготовки для винтовой оболочки ротора и армированного статора.

4. Разработать универсальную камеру высокого давления и пресс-штампы для изготовления оболочек, используемых для изготовления облегченных роторов и армированных статоров, пресс-форму статора.

5. Изготовить опытные образцы облегченных роторов и армированных статоров ВЗД, провести стендовые и промысловые испытания ВЗД с экспериментальными рабочими органами.

Научная новизна

1. С использованием компьютерного моделирования разработан метод расчета напряженно-деформированного состояния тонкостенной винтовой оболочки с учетом физико-механических свойств материала трубной заготовки.

2. Определена взаимосвязь геометрических параметров трубной заготовки с геометрическими параметрами формообразующего сердечника и параметрами зацепления героторного механизма.

3. Установлено, что точность профиля зубьев оболочки в большей степени зависит от остаточной деформации по высоте зубьев винтовой оболочки и несоосности наружного и внутреннего диаметров трубной заготовки.

4. Разработана методика расчета профиля зубьев формующего сердечника, позволяющая повысить точность профиля зубьев облегченных роторов.

Практическая значимость и реализация работы

1. Разработаны методика проектирования и новые конструкции облегченных роторов и армированных статоров с использованием тонкостенных стальных винтовых оболочек (патенты РФ №№ 2187615, 51082, 58592, 2351730), а также пресс-форма для заливки армированных статоров резиновой смесью, обеспечивающая равномерную толщину резины по профилю зубьев статора (патент РФ №105615).

2. Разработан способ калибровки тонкостенных труб, технология обточки наружной поверхности трубной заготовки оболочки ротора для обеспечения заданного натяга в зацеплении героторного механизма.

3. Использование облегченных роторов позволило повысить долговечность рабочих органов ВЗД на 50% и снизить их себестоимость, а использование армированных статоров позволило увеличить крутящий момент и мощность ВЗД более чем в полтора раза при одинаковой длине рабочих органов по сравнению с серийно выпускаемыми двигателями и повысить технико-экономические показатели бурения и капитального ремонта нефтяных и газовых скважин.

4. Разработаны, изготовлены и введены в эксплуатацию универсальная установка высокого давления и пресс-штампы для изготовления тонкостенных винтовых оболочек.

5. Результаты исследований использованы в конструкторской и технологической документации на ВЗД диаметром 88, 95, 106, 178 и 195 мм при их серийном производстве.

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на заседаниях научно-технического совета ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент» (г. Пермь, 2004-2011г.г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело - 2010» (г. Пермь, 2010 г.), на 1 Международной научно-практической конференции «Молодые ученые Прикамья-2011» (г. Пермь, 2011 г.), на семинарах кафедры «Технология машиностроения» ПГТУ (г. Пермь, 2010-2011гг.) на совместном заседании кафедр «Конструирования машин и сопротивления материалов», «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты», ПГТУ (г. Пермь 2011 г.), на заседаниях Ученого совета ОАО НПО «Буровая техника» (г. Москва, 2010-2011 г.г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 15 печатных работах, в том числе 6 патентов РФ на изобретения и полезные модели, 6 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 111 наименований. Работа изложена на 148 страницах, включая 11 таблиц и 52 рисунка.

Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н., профессору Гусману A.M., д.т.н. Балденко Д.Ф., к.т.н. Кочневу A.M., к.ф-м.н. Левиной А.Б. за ценные советы, конструктивные замечания и помощь при работе над диссертацией. Особую признательность и благодарность автор выражает своему научному руководителю д.т.н. Ю.А. Коротаеву.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, показана научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы.

В первом разделе приведен анализ состояния проблемы и результатов ранее выполненных исследований, описаны особенности конструкции и

технологии изготовления героторного механизма, сформулированы цели и задачи исследований.

Большой творческий вклад в разработку и исследования многозаходных винтовых забойных двигателей, отработку конструкции, технологии изготовления и организацию производства внесли отечественные ученые: П.И.Астафьев, В.Н.Андоскин, Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, М.Г.Бобров, Н.П.Безлепкин, Т.Н.Бикчурин, Ю.В.Вадецкий, А.Н.Вшивков, М.Т.Гусман, В.Б.Голдобин, С.А.Ганелина, Н.Д.Деркач, В.П.Дмитриев, Ю.В.Захаров, В.А.Каплун, А.М.Кочнев, Ю.А.Коротаев, А.Д.Коновалов, А.И.Каминская, С.С.Никомаров, Н.И.Попов, Н.Д.Сумцова, В.И.Семенец, А.В.Цепков, М.В.Шардаков и др.

Проанализировано современное состояние и технический уровень новых высокоэффективных винтовых забойных двигателей, в которых используется многозаходный винтовой героторный механизм. Особенностью современных героторных механизмов является то, что зубья статора выполняются на обкладке из эластомера, привулканизованного к внутренней стенке корпуса статора. При этом зубья статора формируются сердечником в специальной пресс-форме, а зубья сердечника пресс-формы статора и ротора получают методом зубофрезерования на специальных станках. Зубья статора имеют одновременный контакт со всеми зубьями ротора, образуя замкнутые винтовые полости.

В результате переносного вращения ротора появляется центробежная сила, прижимающая ротор к обкладке статора. При высокой частоте переносного вращения эта сила приводит к созданию интенсивных поперечных вибраций, отрицательно влияющих на долговечность рабочей пары и двигателя в целом. Для уменьшения влияния инерционных нагрузок на зубья статора необходимо снижать массу ротора. Как показывает опыт изготовления ВЗД в ООО «ВНИИБТ - Буровой инструмент», массу ротора можно кратно уменьшить за счет использования тонкостенных стальных оболочек, получаемых методом пластического деформирования.

Эффективное использование современных конструкций высокопроизводительных долот режущего типа, обладающих высокой моментоемкостью, возможно лишь при наличии мощного гидравлического забойного привода, который бы отвечал необходимым требованиям по надежности и долговечности.

Весьма перспективным способом повышения крутящего момента двигателя является армирование зубьев статора, которое заключатся в изготовлении корпуса статора с внутренними металлическими зубьями с последующим их обрезиниванием. Это позволяет увеличить изгибную жесткость резиновых зубьев статора и повысить мощностные характеристики двигателя более чем в 1,5 раза без увеличения его длины. Кроме того, повышается долговечность зубьев статора за счет лучшего теплоотвода и увеличения усталостной выносливости зубьев.

Исследованиями и производством армированных статоров занимаются многие зарубежные и российские компании: «Baker Hughes», «Drilex», «Halliburton», «Robbins and Myers», «Lilin», ООО «Фирма «Радиус-Сервис», ОАО «Пермнефтемашремонт» и другие. Однако из-за сложности технологии изготовления, высокой стоимости применяемого технологического оборудования и, как следствие, высокой цены статоров, ВЗД с армированными статорами пока не нашли широкого применения при бурении скважин.

Разработанная впервые в мире в ПФ ВНИИБТ под руководством А.М.Кочнева уникальная технология изготовления винтовых оболочек из тонкостенных трубных заготовок позволяет использовать их для изготовления облегченных роторов и армированных статоров и значительно снизить затраты на их изготовление. Однако, проведенный анализ показал, что исследований по изготовлению армированных статоров с применением тонкостенных винтовых оболочек методом гидроштамповки ни в нашей стране, ни за рубежом не проводилось. Конструкция и технология изготовления облегченных роторов была исследована недостаточно, а при их производстве не обеспечивалась требуемая точность профиля зубьев.

Применяемое оборудование не позволяло изготавливать винтовые оболочки различного диаметра. Формующие сердечники быстро выходили из строя из-за низкой износостойкости зубьев. Все это сдерживало внедрение новых конструкций ВЗД с облегченными роторами и армированными статорами.

Потребность нефтяного машиностроения в обеспечении мощными и надежными ВЗД, с одной стороны, и недостаточная изученность технологии изготовления рабочих органов с облегченными роторами и армированными статорами, с другой стороны, предопределили актуальность выполнения данной работы, цели и задачи исследований.

Второй раздел посвящен исследованиям и разработке конструкций и технологии изготовления облегченных роторов и армированных статоров.

Разработанный облегченный ротор состоит из двух деталей: роторной втулки и винтовой оболочки. Роторная втулка соединяет ротор с карданным узлом ВЗД. Разработаны два способа сборки оболочки с роторной втулкой. При первом способе выполняется сварка роторной втулки с винтовой оболочкой. При втором - крепление роторной втулки в винтовой оболочке происходит одновременно с формообразованием зубьев винтовой оболочки. Показано, что конструкция ротора с верхним расположением роторной втулки предпочтительна для уменьшения габаритных размеров двигателя за счет установки гибкого вала или шарнира внутри ротора.

Винтовая оболочка изготавливается из тонкостенных калиброванных труб повышенной точности. Для обеспечения коррозионной стойкости роторов, работающих в буровом растворе, используется трубы из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Эта сталь имеет высокую износостойкость и хорошо подвергается обработке давлением (штампуется).

Технологический процесс изготовления облегченного ротора включает следующие основные операции: калибровка внутренней поверхности трубной заготовки на гладком цилиндрическом сердечнике, чистовая токарная обточка наружной поверхности, полирование наружной поверхности абразивной лентой, формообразование винтовых зубьев жидкостью высокого давления на винтовом формообразующем сердечнике в

камере высокого давления, сборка с роторной втулкой, упрочнение зубьев ротора.

В результате проведенных исследований и испытаний нами разработана конструкция резинометаллического статора с армированными зубьями с использованием тонкостенных винтовых оболочек. Статор представляет собой трубу 1 с резьбами на концах, внутри которой закреплена зубчатая тонкостенная оболочка 2 с привулканизованной к ней обкладкой 3 из резины (рис. 1). Для того, чтобы винтовая обкладка не деформировалась при заливке статора резиновой смесью (давление при заливке резиной достигает до 210 МПа), а также для повышения жесткости зубчатой обкладки статора, в пространство между впадинами зубьев винтовой оболочки и внутренней поверхностью корпуса устанавливаются металлические прутки 4.

Технологический процесс изготовления армированного статора включает три основных блока операций: изготовление корпуса статора; изготовление тонкостенной стальной винтовой оболочки, установка ее в корпус статора и сварка; подготовка сваренного корпуса статора с внутренними винтовыми зубьями под обрезинивание, обрезинивание статора.

В качестве заготовки для винтовой оболочки статора применяются недорогие горячекатаные бесшовные трубы из стали 20. Эти стали хорошо подвергаются пластической деформации и обеспечивают хорошую адгезию металла с клеем и резиной. При необходимости трубы подвергаются термообработке, чтобы твердость была не выше 150 НВ. При твердости

10

более 150 НВ сталь 20 имеет относительное удлинение менее 26% и, как показали многочисленные эксперименты, при формообразовании винтовых оболочек из таких труб может произойти разрушение металла, (трещины) или процесс деформации не будет завершен.

Важнейшим конструктивным и технологическим параметром армированного резинометаллического статора является толщина резиной обкладки статора. На основе анализа результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований установлена оптимальная величина толщины резиновой обкладки, которая составила 0,3-0,7 высоты зубьев статора. Этот важный параметр обеспечивает необходимый прирост мощности двигателя, долговечность зубьев статора и технологическую возможность изготовления.

На основе экспериментальных исследований и опыта изготовления армированных статоров разработан способ обрезинивания корпусов с внутренними винтовыми зубьями, включающий подготовку внутренней винтовой поверхности под обрезинивание и заливку резиной, а также разработаны новые конструкции пресс-форм статоров, которые обеспечивают равномерную толщину резиновой обкладки статора. В результате проведенных испытаний была разработана методика сборки пресс-формы со статором, особенностью которой является использование специального следящего устройства, с помощью которого, при вводе сердечника внутрь корпуса, сердечник проворачивается, копируя профиль винтового вкладыша, предотвращая контакт поверхности пресс-формы и винтовой поверхности вкладыша с нанесенным клеем.

Третий раздел посвящен теоретическим исследованиям процесса формообразования тонкостенной винтовой оболочки жидкостью высокого давления на винтовом формообразующем сердечнике.

Показано, что поставленная задача может быть рассмотрена как контактная краевая задача для сплошной среды с конечными деформациями. Расчет напряженно-деформированного состояния винтовой оболочки

проведен методом конечных элементов и реализован в системе автоматизированного проектирования.

Конечно-элементная модель и схема граничных условий применительно к формообразованию тонкостенной винтовой оболочки на винтовом формообразующем сердечнике давлением жидкости Р представлена на рис.2.

Р

Оболочка

Винтовои сердечник

Uy\Sy = 0; Uz\sz = О Рис. 2 Конечно-элементная модель и схема граничных условий

где ступор - напряжения в узлах конечных элементов на поверхности Sp действия давления Р, <7,/Z/|.« - напряжения в узлах конечных элементов на контактной поверхности Sk, /„' - контактные усилия, возникающие в паре оболочка - сердечник, {S} - вектор узловых перемещений конечного элемента, /М} - вектор узловых сил конечного элемента, [К] - матрица жесткости, t/ylsj, - перемещения узлов на поверхности Sy\ Uz\sz = перемещения узлов на поверхности Sz, Р - давление жидкости.

Для расчета напряженно-деформированного состояния принято, что сердечник - абсолютно твердое тело, материал заготовки однородный и изотропный. В силу того, что на винтовую поверхность сердечника

наносится смазка, а также в целях упрощения задачи, коэффициент трения между контактирующими поверхностями заготовки и сердечника принимается равным нулю, и позволяется скольжение контактирующих поверхностей друг относительно друга. Давление увеличивается плавно до заданного уровня, а процесс изменения нагрузки - квазистатический, поэтому напряженно-деформированное состояние заготовки определяется из решения физически нелинейной упругопластической задачи статики. Задачи решены в трёхмерной постановке.

В результате компьютерного моделирования установлено, что полная деформация заготовки происходит при давлении Р = 250...270 МПа с наименьшим растяжением или сжатием стенки заготовки Г в случае, если соотношение периметра торцового профиля винтового сердечника к длине описанной окружности находится в пределах ¿Д,о=0,98...1,01. При соотношении ¿/¿„<0,98 наблюдается увеличение толщины стенки заготовки во впадине на 14-6% при числе зубьев ъ=Ъ и 4 с высотой соответственно /г=12 и И=9 мм с толщиной стенки Г=5 мм. При отношении ¿/¿„>1,01 деформация заготовки происходит при повышенном давлении, более 270 МПа.

Установлено, что после снятия давления с заготовки, в связи с упругими свойствами материала для сталей типа 20 и 12Х18Н10Т, высота зуба заготовки уменьшается на величину упругой составляющей (пружинения), которая составляет 0,02й.. ДОЗ/г для оболочек с числом зубьев г=5...7.

С целью получения на оболочке требуемой высоты зубьев предложено винтовой сердечник проектировать с увеличенной высотой зубьев для компенсации упругой составляющей за счет учета дополнительных пластических деформаций оболочки при деформировании. Разработана методика расчета, по которой профиль формообразующего сердечника должен описываться кривой, учитывающей величину «пружинения» оболочки после снятия давления. Кривую можно описать уравнениями:

У СП = Ум -

t+K,

t + K.

sin к,,

cosí/,,

где хСп, Усп - координаты профиля винтового сердечника, хц, уд1, уд1, гд1 - координаты и углы номинального профиля ротора, Ки - величина «пружинения» оболочки после снятия давления, Г - толщина стенки трубной заготовки оболочки.

Компьютерным моделированием установлено также, что неравномерная толщина стенки заготовки существенно влияет на точность профиля винтовой оболочки.

С использованием численных методов получены зависимости высоты зубьев тонкостенных оболочек от прикладываемого давления (табл. 1). Эти данные возможно использовать для получения винтовых оболочек с разной высотой зубьев на одном формообразующем сердечнике.

Таблица 1 - Зависимость высоты зубьев оболочек от давления

Давление, МПа

200 210 220 230 240 250 260 270

взд z Высота зубьев, мм

Д-106 5 8,40 8,60 8,70 8,80 8,95 9,00

Д-88 5 6,00 6,50 6,70 6,80 6,90 7,00

Д-95Х 6 5,80 6,00 6,20 6,30 6,40 6,50 6,60 6,65

Д-195Х 7 11,00 11,20 11,30 11,35 11,45 11,50 11,55 11,6

При изготовлении облегченных роторов из стандартных труб необходимо принимать во внимание, что размеры заготовок (диаметр и толщина стенки) в зависимости от поставщиков и партий имеют разброс в пределах определенного допуска, который, например, для труб диаметром 70 мм составляет ±0,8% по наружному диаметру и до 5% по толщине стенки.

Для обеспечения требуемых размеров роторов разработана методика, позволяющая на первом этапе проектировать секцию рабочих органов, на втором этапе - рассчитывать и изготавливать трубную заготовку ротора

заданных размеров. Суть методики основывается на обеспечении точного внутреннего диаметра заготовки методом калибровки жидкостью высокого давления на гладком сердечнике и обточки заготовки на требуемый размер.

Диаметр гладкого сердечника для калибровки рассчитывается по формуле:

Dec=Dr0a<l-SD)-2t(!+d,) (3)

где DrocT - наружный диаметр трубной заготовки по ГОСТ, мм, t -толщина стенки трубной заготовки, мм, SD - предельное отклонение труб по наружному диаметру, 5, - предельное отклонение труб по толщине стенки.

Тонкая чистовая обточка трубной заготовки является весьма сложной операцией из-за большой длины заготовки и ее недостаточной жесткости. В результате проведенных нами исследований и испытаний был разработан способ обточки тонкостенной оболочки с использованием подвижного и неподвижного люнетов. При этом способе исходная разностенность заготовки существенно не нарушается.

В четвертом разделе описываются результаты экспериментальных исследований формообразования на разработанной установке высокого давления, включающей универсальную камеру высокого давления и пресс-штамп.

В универсальной камере высокого давления возможно изготавливать тонкостенные оболочки диаметром от 50 до 165 мм и длиной до 3500 мм.

Универсальная камера высокого давления содержит корпус 1, гайки 2 и 3 (рис.3). Для изготовления винтовых оболочек наружным диаметром меньше 150 мм в камеру устанавливается переходная втулка 4, которая позволяет снизить осевые нагрузки от гидравлического давления на гайки камеры.

Формообразующий сердечник 6 с заготовкой 5 (пресс-штамп) устанавливается внутрь камеры. В зависимости от диаметра изготавливаемой заготовки посадка осуществляется по внутренней поверхности переходной втулки 4 или по посадочным поверхностям корпуса камеры. Для проведения

исследований применительно к данной установке была разработана специальная методика.

После формообразования сердечник извлекается из оболочки на специальном прессе. При этом усилие разборки достигает 95 тс для оболочек ВЗД диаметром 178 мм, а поверхность сердечника подвергается износу вследствие больших контактных нагрузок, достигающих 500...600 МПа на вершинах зубьев сердечника.

Рис. 3 Схема камеры высокого давления для изготовления тонкостенных оболочек с винтовыми зубьями

Для снижения усилий разборки пресс-штампов, повышения срока службы сердечников и увеличения производительности труда проведены опытные работы по изготовлению винтовых оболочек статоров ВЗД Д-178 на конусном сердечнике с конусностью 0,2-0,3 мм. При этом установлено, что на поверхности сердечника после разборки пресс-штампа отсутствуют следы износа и нагартовки, а усилие разборки в начальный момент составляло 70 тс, после чего резко снизилось до величины менее 0,5 тс.

В результате экспериментальных исследований установлено, что при отношении £,/¿„=0,98...1,01 (г=5...7) формообразование осуществляется при давлении 250-270 МПа. При этом величина упругой составляющей деформации заготовки составляет 0,02/г..ДОЗА. Однако при ¿/¿„<0,98 (г=3...4) получить винтовую поверхность высокого качества не удается, так как во впадинах оболочки образуются складки. При этом увеличения

толщины стенки во впадине оболочки не выявлено. Результаты натурной штамповки для г=5...7 имеют хорошую сходимость с результатами численного решения. Экспериментами установлено также, что разностенность трубной заготовки существенно влияет на точность наружного винтового профиля оболочки после деформирования на винтовом сердечнике.

Экспериментально подтверждено, что твердость оболочки, изготовленной из стали 12Х18Н10Т после формообразования повышается и достигает значения 255 НВ против 150 НВ до формообразования. Экспериментами также установлено, что сталь 20 при деформировании не упрочняется.

Проведены экспериментальные исследования по определению влияния давления на высоту зубьев оболочки. При этом выявлено, что методом варьирования давления от 220 до 270 МПа, можно на одном формообразующем сердечнике уменьшать или увеличивать высоту зубьев оболочки на 0,1...0,2 мм в зависимости от условий изготовления винтовых оболочек - с хромом или без хрома.

В пятом разделе приведены результаты стендовых и промысловых испытании ВЗД с армированными статорами и облегченными роторами. Проведена оценка экономической эффективности использования результатов исследований.

Показано, что секция рабочих органов двигателя габаритом 178 мм с армированным статором по сравнению со стандартной секцией имеет, при одинаковой длине зацепления, более высокий удельный крутящий момент на режиме максимального КПД. При расходе 34 л/с удельный крутящий момент составляет 1,62 кН«м против 0,98 кН»м (больше на 65%). При этом максимальная удельная мощность экспериментальной секции при расходе 34 л/с составила почти 50 кВт, в то время как для серийной секции -всего 30 кВт.

Стендовые испытания экспериментальных секций рабочих органов диаметром 95 мм с кинематическим соотношением 5/6, длиной зацепления

2600 мм и армированным статором показали, что новые секции рабочих органов имеют более высокие энергетические характеристики (рис. 4,6), чем серийные секции рабочих органов с длиной зацепления 3000 мм (рис. 4,а). Так важнейший технологический показатель ВЗД - крутящий момент на режиме максимального КПД вырос на 40%. Необходимо отметить и более «жесткую» нагрузочную характеристику работы винтового героторного механизма, а также увеличение КПД на 10% при расходе воды 10 л/с.

а 5

Рис. 4 Энергетические характеристики секций рабочих органов диаметром 95 мм

При промысловых испытаниях секции рабочих органов Д-95Х №5 в филиале «Центр горизонтального бурения» ООО «Газпром бурение» в составе двигателя ДР-95М максимальная наработка на пару составила 585 часов.

Секция рабочих органов №9 прошла промысловые испытания в ОАО «Сургутнефтегаз». После отработки 410 часов выявлено, что рабочие органы секции не имеют значительных следов износа и усталостного разрушения зубьев статора.

Стендовые испытания двигателей диаметрами 88 и 106 мм с облегченными роторами показали, что энергетические характеристики двигателей соответствуют расчетным. Секции рабочих органов Д-106.5/6.33.010 №5 и №11 с облегченными роторами соответственно №3 и №8 прошли промысловые испытания в Нижневартовском сервисном центре.

18

Двигатель ДЗ-106 № 44 с секцией рабочих органов Д-106.5/6.33.010 №4 с облегченным ротором успешно испытан в ООО «ОбьНефтьРемонт».

В настоящее время серийно выпускаются двигатели с облегченными роторами диаметром 88 и 106 мм. Двигатели успешно работают в Нижневаторском и Нефтеюганском сервисных центрах, в буровых предприятиях Республики Беларусь.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Разработаны новые конструкции и технология изготовления героторных механизмов винтовых забойных двигателей с использованием тонкостенных стальных оболочек с винтовыми зубьями для изготовления облегченного ротора и армированного статора. Разработана методика заливки армированных статоров резиновой смесью, обеспечивающая равномерную толщину резины по профилю зубьев статора.

2. Проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса формообразования тонкостенных стальных оболочек с винтовыми зубьями, что позволило численным методом определять напряжения и деформации винтовых оболочек при заданных физико-механических свойствах металла.

3. Установлены факторы, влияющие на точность профиля зубьев оболочки, показано, что точность профиля зубьев оболочки в большей степени зависит от остаточной деформации по высоте зубьев винтовой оболочки и несоосности наружного и внутреннего диаметров трубной заготовки. Разработана методика расчета профиля зубьев формующего сердечника, позволяющая повысить точность профиля зубьев облегченных роторов.

4. Установлена зависимость геометрических параметров трубной заготовки оболочки для статора и ротора от геометрических параметров формующего сердечника и параметров зацепления многозаходного винтового героторного механизма. Разработана методика расчета толщины стенки трубной заготовки для винтовой оболочки ротора и армированного

статора и способ обеспечения заданного натяга в зацеплении героторного механизма.

5. Разработана универсальная камера высокого давления и пресс-штампы для изготовления оболочек, используемых для изготовления облегченных роторов и армированных статоров, пресс-форма статора.

6. Стендовые и промысловые испытания экспериментальных ВЗД с облегченными роторами и армированными статорами показали, что новые секции рабочих органов имеют улучшенные энергетические и эксплуатационные характеристики по сравнению с серийными.

Результаты исследований внедрены в производство ВЗД в ООО «ВНИИБТ - Буровой инструмент». Экономический эффект от использования результатов исследований составил более 3 млн. руб. в год.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Патент РФ 2187615, МПК Е21В4/02. Винтовой забойный двигатель / Кочнев A.M., Голдобин Д.А.(Россия).- № 2001101807; заявл. 18.01.2001; опубл. 20.08.2002. Бюл. № 23. - 6 с.

2. Патент РФ 2224651 МПК В29С 45/26, B29D23/00. Литьевая пресс-форма для изготовления длинномерных резинометаллических статоров винтовых героторных гидромашин / Дмитриев В.П., Голдобин Д.А., Коро-таев Ю.А., Кочнев A.M.- № 2003101039; заявл. 14.01.2003; опубл. 27.02.2004. Бюл. №6.-5 с.

3. Патент РФ 51082, МПК Е21В4/02. Винтовой забойный двигатель с удлиненным ротором / Голдобин Д.А., Трапезников С.Г., Бобров М.Г.-№ 2005121976; заявл. 11.07.2005; опубл. 27.01.2006. Бюл. №3.-2 с.

4. Патент РФ № 58592, МПК Е21В4/02. Статор винтового забойного двигателя / Кочнев A.M., Голдобин Д.А., Трапезников С.Г., Коротаев Ю.А. -№ 2006101408; заявл. 18.01.2006; опубл. 27.11.2006. Бюл. № 33. - 2 с.

5. Плотников В.М., Голдобин Д.А., Фуфачев О.И. Совершенствование технологии изготовления облегченных роторов винтовых забойных двигателей // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2007. - № 2. - С. 13-15.

6. Голдобин Д.А., Фуфачев О.И. Совершенствование метода обработки заготовок тонкостенных роторов винтовых забойных двигателей. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2009. - № 1. - С. 29-30.

7. Патент РФ 2351730, МПК Е21В4/02. Статор винтового забойного двигателя / Голдобин Д.А., Коротаев Ю.А., Коротаев С.Н., Фуфачев О.И.-№ 2008104959; заявл. 08.02.2008; опубл. 10.04.2009. Бюл. № 10,- 7 с.

8. Фуфачев О.И., Голдобин Д.А. и др. Новые конструкции статоров винтовых забойных двигателей производства ООО «ВНИИБТ - Буровой инструмент» / Фуфачев О.И., Голдобин Д.А., Плотников В.М., Хохлов В.В., Трапезников С.Г. // Бурение и нефть, 2010. - № 6. - С. 48-50.

9. Голдобин Д.А., Коротаев Ю.А., Фуфачев О.И. Повышение точности изготовления гидроштампованных облегченных роторов и энергетических характеристик винтовых забойных двигателей // Вестник ассоциации буровых подрядчиков, 2010. - № 2. - С. 35-37.

10. Голдобин Д.А., Коротаев Ю.А. Особенности конструкции и технологии изготовления статоров винтовых забойных двигателей ООО «ВНИИБТ - Буровой инструмент», армированных стальной тонкостенной винтовой оболочкой //Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2010. - № 11. - С. 2-4.

11. Голдобин Д.А. Разработка рабочих органов винтовых забойных двигателей с облегченными гидроштампованными роторами для повышения эксплуатационных характеристик: тезисы докл. Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело». - Пермь, 2010. -С. 48-49.

12. Патент РФ № 105615, МПК В29С67/00. Литьевая пресс-форма для изготовления резинометаллических статоров винтовых героторных

гидромашин (варианты) / Голдобин Д.А., Коротаев Ю.А., Хохлов В.В.-№ 2010153021; заявл. 23.12.2010; опубл. 20.06.2011. Бюл. № 17,- 2 с.

13. Патент РФ № 104629, МПК Р01С1/107. Статор винтового забойного двигателя / Фуфачев О.И., Голдобин Д.А., Дмитриев В.П., Коротаев Ю.А., Сударев Р.П.- № 2010130971; заявл. 23.07.2010; опубл. 20.05.2011. Бюл. № 14..- 2 с.

14. Коротаев Ю.А., Голдобин Д.А. Опыт изготовления стальных тонкостенных оболочек для статоров и роторов рабочих органов винтовых забойных двигателей // Труды ВНИИБТ: сб. научн. тр.- М., 2011.- С. 315-321.

15. Коротаев Ю.А., Иванов В.А., Голдобин Д.А. Технология изготовления рабочих органов винтовых забойных двигателей с облегченными роторами и армированными статорами. // Вестник Ижевского государственного технического университета,- Ижевск, 2011.-№ з , с. 39-43.

Подписано в печать 16.12.2011. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 652/2011.

Отпечатано в ИД «Пресстайм». Адрес: 614025, г. Пермь, ул. Героев Хасана, 105.